La luz es un factor esencial para el crecimiento y desarrollo de los cultivos en la producción agrícola. Las plantas absorben longitudes de onda rojas a través de pigmentos fotosintéticos, mientras que las longitudes de onda rojas lejanas son reflejadas y transmitidas por las hojas verdes de las plantas vecinas. Esto disminuye la relación rojo: rojo lejano dentro del dosel.

Las plantas son sensibles a la relación rojo: rojo lejano: los niveles más bajos inducen cambios desde el nivel fenotípico al molecular, que incluyen altura de la planta, morfología de la hoja, biomasa, ultraestructura del cloroplasto y características fotosintéticas. Estos efectos permiten que la planta capture más energía luminosa, lo que maximiza el crecimiento y la aptitud de la planta en rodales abarrotados. A pesar del importante papel que juega la relación rojo: rojo lejano en el desarrollo de la planta, ha habido un éxito limitado en la evaluación de cómo afecta la morfogénesis dentro de la cubierta vegetal porque es difícil de medir. La clave para descifrar este misterio es el uso de modelos de plantas estructurales funcionales para evaluar cómo varios modelos de transferencia radiativa influyen en la simulación de la relación rojo: rojo lejano y el crecimiento de la estructura de la hoja resultante utilizando modelos computacionales.

Arthur Couturier, estudiante de posgrado del Instituto Nacional de Investigación para la Agricultura, la Alimentación y el Medio Ambiente (INRAE) de Francia, y sus colegas publicaron recientemente un artículo en in silico Plantas que presenta nuevos métodos basados ​​en modelos para describir la variabilidad espacial y temporal de la relación rojo:rojo lejano. Los autores evaluaron diferentes métodos utilizados en el modelado de la luz para determinar cuál era el más preciso.

Los métodos evaluados por los autores fueron:

  1. el enfoque del modelo ligero,
  2. el método de intercambio radiativo, y
  3. la escala considerada para interceptar los rayos de luz.

“Simulamos el enfoque del modelo de luz de dos maneras”, explica Couturier. “El método del medio turbio representa el dosel con una matriz de células 3D. Luego calcula la transferencia radiativa dentro de cada celda individual. Este enfoque no tiene en cuenta completamente el efecto de la posición y orientación de los órganos individuales. El modelo RIRI utilizó este enfoque. El método de radiosidad calcula la transferencia radiativa considerando la geometría de cada elemento de follaje individual y requiere un tiempo de cálculo significativo. El modelo CANESTRA utilizó este enfoque.“

Los métodos de intercambio radiativo considerados fueron sin dispersión (solo se considera la intercepción directa de la luz) y con la luz se dispersa en todas direcciones después de ser interceptada por los fitoelementos. Si bien la dispersión de la luz es representativa de lo que ocurre dentro del dosel, es computacionalmente intensiva. Por lo tanto, es valioso evaluar cuánto impacto tiene sobre la morfogénesis.

Se consideraron tres escalas para interceptar los rayos de luz:

  1. La escala de 'Órgano' se calculó a partir de la irradiancia de la superficie del órgano considerado,
  2. la escala de 'Cara' calculada a partir de la irradiancia interceptada por la superficie horizontal inferior del vóxel donde se encuentra el órgano considerado, y
  3. la escala 'Voxel' calculada a partir de la irradiación de un vóxel considerado utilizando un enfoque de medio turbio.
Agregue una representación visual de las tres escalas que se consideraron. Dos rayos de luz interceptados en el estudio. La primera escala, órgano CANESTRA, muestra rayos de luz interceptados por los triángulos de una sola hoja con pecíolo y entrenudo. La segunda escala, cara CANESTRA, muestra los rayos de luz interceptados por la cara inferior del vóxel donde se encuentra la hoja. La tercera escala, RIRI voxel, muestra los rayos interceptados por el voxel donde se localiza el órgano.
Las tres escalas consideradas para interceptar los rayos de luz en el estudio.

Luego, los autores realizaron simulaciones utilizando los cinco métodos integrados en el modelo existente. Modelo de pastizal virtual para determinar el crecimiento de pecíolos y entrenudos. El estudio se centró en dos especies de plantas con arquitectura contrastante: la alfalfa que crece verticalmente y el trébol blanco que crece horizontalmente a lo largo del suelo.

Un diagrama de flujo con cinco enfoques que terminan en cinco modelos. El primer nivel es modelo. Hay dos modelos, RIRI y CANESTRA. Del modelo RIRI, el enfoque del modelo ligero es medio turbio. El método de intercambio radiativo es sin dispersión. La escala de modelado es Voxel. Por lo tanto, el método se llama "RIRI Voxel sin dispersión". Del Modelo CANESTRA, el enfoque del modelo de luz es la radiosidad. Hay dos métodos de intercambio radiativo, con y sin dispersión. Desde sin dispersión, la escala es CARA u Órgano. El método de CARA se llama “CANESTRA Cara sin dispersión” y el método de ÓRGANO se llama “CANESTRA Órgano sin dispersión”. A partir de la dispersión, la escala es CARA u Órgano. El método de FACE se llama “CANESTRA Face with scattering” y el método de ORGAN se llama “CANESTRA Organ with scattering”.
Los cinco métodos para calcular la transferencia radiativa utilizados en el artículo.

Los cinco métodos produjeron proporciones medias rojas:rojas lejanas variables experimentadas por los entrenudos y pecíolos dentro del dosel durante la temporada de crecimiento. Como se mencionó anteriormente, la relación es difícil de medir y, por lo tanto, es difícil determinar qué método produjo los valores más realistas. Sin embargo, la disminución temprana en la relación rojo:rojo lejano producida por los métodos de órganos de CANESTRA indica que pueden detectar la presencia de órganos de plantas vecinas en las primeras etapas de desarrollo, mientras que los otros tres métodos solo muestran una disminución de la relación más adelante cuando hay hojas presentes. .

Un gráfico con el día del año de 100 a 180 en el eje x y la proporción de rojo medio: rojo lejano interceptada de 0 a 1.2 en el eje y. Los valores de RIRI y CANESTRA Face con y sin dispersión se estabilizan alrededor de un valor medio de 1 desde los días 120 a 140 y luego disminuyen. CANESTRA Organ con y sin dispersión, los valores medios caen poco después del día 12 y permanecen bajos hasta el día 180.
La disminución temprana en la relación rojo: rojo lejano producida por los métodos de CANESTRA Organ.

Curiosamente, la inclusión de la dispersión no afectó la intercepción de la relación rojo:rojo lejano para las simulaciones realizadas con el modelo de órganos CANESTRA, pero tuvo un fuerte impacto en las simulaciones realizadas con el modelo facial CANESTRA. Por lo tanto, debido a que el uso de la dispersión tiene un alto costo de tiempo computacional, su uso debe elegirse de acuerdo con las necesidades de precisión de la simulación en vista de las pequeñas diferencias observadas.

La morfogénesis de la planta expresada por el pecíolo simulado y la longitud del entrenudo fue sensible al tipo de modelo de radiación, especialmente en una etapa temprana de desarrollo. La alfalfa, que tiene un hábito vertical y más autosombreado que el trébol que crece horizontalmente, fue más sensible a las variaciones de la relación rojo:rojo lejano.

Debido a que la relación rojo:rojo lejano tiene un efecto tan grande en las plantas, mejorar el marco utilizado para representarlo es vital para modelar los esfuerzos para aumentar el rendimiento de los cultivos. Este trabajo mostró que la elección del modelo debe hacerse de acuerdo con las necesidades del enfoque de la investigación y la disponibilidad de recursos computacionales. Los autores proporcionan una tabla resumen sobre las ventajas y desventajas de cada uno de los cinco modelos y su uso sugerido en relación con las preguntas de investigación planteadas.

LEE EL ARTÍCULO:

Arthur Couturier, Elzbieta Frak, Quentin Rambaud, Gaëtan Louarn, Romain Barillot, Jean-Louis Durand, Abraham Escobar-Gutiérrez, Didier Combes, ¿Cuánto influyen los modelos de transferencia radiativa en la simulación rojo: rojo lejano y el modelado posterior de la fotomorfogénesis vegetal? in silico Plants, 2022, diac013, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac013